變線距光柵單色器設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、同步輻射光源不斷發(fā)展，從最初的高能物理加速裝置到第四代光源自由電子激光，光源的性能不斷提高。光束線作為連接光源和實(shí)驗(yàn)站的橋梁，需要能夠充分利用光源的特性，因此對光束線的光譜分辨率、光傳輸效率等方面提出了更高的要求。光束線的核心是單色器，在軟X-光波段中，有三種主要的單色器:定包含角球面光柵單色器(Dragon)、變包含角平面光柵單色器（SX-700類）和變線距光柵單色器。由于變線距光柵單色器中光學(xué)元件少和元件面型簡單，容易實(shí)現(xiàn)高的光譜分

2、辨率和達(dá)到高的傳輸效率，近年來得到了廣泛應(yīng)用。本文討論變線距光柵單色器原理、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率需要的關(guān)鍵技術(shù)。主要內(nèi)容包括:
　　1、合肥光源(NSRL)重大改造中的表面物理光束線建設(shè)。表面物理光束線從真空波蕩器中引出，覆蓋的能量范圍為20-600eV，整個光束線的長度為19300mm。前置聚焦系統(tǒng)采用柱面鏡垂直放置5∶1聚焦到入射狹縫，采用自聚焦平面變線距光柵單色器作為分光系統(tǒng)，后置聚焦系統(tǒng)采用超環(huán)面鏡在兩個方向上聚焦到樣品

3、處。光束線的技術(shù)指標(biāo)為:光通量5×1010 photons/s@29eV，樣品處光斑0.2×0.1 mm2，能量分辨本領(lǐng)10000(E/△E)@29eV。
　　2、大連化物所相干光源(DCLS)光束線建設(shè)。DCLS作為第四代同步輻射光源，具有輻射波長可調(diào)、不受電子躍遷能級的限制;頻譜范圍廣;亮度和峰值功率極高、且可調(diào);相干性好，又有偏振性;具有短脈沖時間結(jié)構(gòu)、且時間結(jié)構(gòu)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)。建成后的DCLS將是世界上第一臺工作在極紫外波

4、段(50-150nm)的自由電子激光器。
　　同基于儲存環(huán)的同步輻射光束線相比，四代光源的光束線設(shè)計(jì)將會面臨新的挑戰(zhàn)。比如光源脈沖結(jié)構(gòu)與光譜分辨的關(guān)系，高瞬時功率對光學(xué)元件鍍膜的影響，光源的光譜在線診斷等。DICP-FEL共建有四條分支光束線，每條分支光束線分時用光，光源點(diǎn)（飽和長度）在6m-12m內(nèi)變化。各條光束線光學(xué)傳輸效率（反射率）不同，最高可達(dá)85％，最低的可達(dá)到45％，可以根據(jù)需要開展實(shí)驗(yàn)。利用超環(huán)面鏡和平面變線距光柵構(gòu)

5、成了光譜儀，用于對光源進(jìn)行在線的診斷，光譜診斷系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)達(dá)12000。在FERMI@Elettra實(shí)驗(yàn)室，其光譜診斷系統(tǒng)的波長掃描是通過兩個相互垂直的直線導(dǎo)軌配合工作。本方案直接將聚焦曲線擬合成圓，通過弧形導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)波長掃描，精度以及穩(wěn)定性將會更加強(qiáng)，具有創(chuàng)新性。
　　3、光柵單色器的高光譜分辨不僅與光學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)，同工程實(shí)施中的各項(xiàng)誤差控制等關(guān)鍵技術(shù)也息息相關(guān)。掌握相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，是保證實(shí)現(xiàn)光學(xué)設(shè)計(jì)的高光譜分辨率指標(biāo)的基礎(chǔ)。這些

6、關(guān)鍵技術(shù)主要包括:高精度直線導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)角測量機(jī)構(gòu)、光學(xué)元件檢測技術(shù)、狹縫在線檢測技術(shù)、光束線安裝準(zhǔn)直技術(shù)和單色器調(diào)試技術(shù)等。本文對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，其中狹縫的寬度在線檢測、對光學(xué)元件裝夾的研究以減少裝夾對元件面形的影響等都具有創(chuàng)新性。
　　高精度直線導(dǎo)軌是單色器中的波長掃描機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它推動正弦桿轉(zhuǎn)動，帶動光學(xué)元件轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)波長掃描。為了實(shí)現(xiàn)表面物理光束線的光譜分辨率，自行研制了行程150 mm，分辨率30 nm的

7、高精度直線導(dǎo)軌。同時表面物理光束線還采用了一套角度測量機(jī)構(gòu)，通過光柵尺直接測量光學(xué)元件的轉(zhuǎn)動角度，該角度測量機(jī)構(gòu)的分辨率可達(dá)0.05"。通過高精度直線導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)角測量機(jī)構(gòu)配合，精確標(biāo)定光學(xué)元件的轉(zhuǎn)角以及對應(yīng)的波長。
　　光學(xué)元件的測試對象主要包括光學(xué)元件的面形誤差以及光柵的刻線精度。利用長程面形干涉儀對表面物理光束線單色器中的光學(xué)元件的面形誤差進(jìn)行測量，結(jié)果顯示光學(xué)元件的面形精度滿足要求。利用實(shí)驗(yàn)室自建的二維線密度系統(tǒng)對平面光柵的刻

8、線精度進(jìn)行檢測，400 l/mm光柵的線密度精度為3～7×10-5，1200 l/mm光柵的刻線精度為1～3×10-5。
　　在表面物理光束線中，狹縫的開口寬度比較小，最小值達(dá)13μm，同時真空環(huán)境和大氣環(huán)境下狹縫的開口大小會發(fā)生改變，因此需要對狹縫寬度有一個較為精確的測量。搭建了一套狹縫寬度在線系統(tǒng)對狹縫寬度進(jìn)行測量，該測量系統(tǒng)的測量精度在±5μm以內(nèi)。
　　作為光束線的核心部件，單色器的部件離線調(diào)試和光譜分辨率直接相關(guān)。